100 kWp光伏幕墙并网系统性能分析

■ 施光辉 杨正虎 张家维 胡志华*

(1.云南能投新能源投资开发有限公司；2.云南师范大学太阳能研究所)

0 引言

国家能源局数据显示，截至2016年底，我国光伏发电新增装机容量为3454万kW，累计装机容量达7742万kW，均为全球第一。其中，集中式光伏发电累计装机容量为6710万kW，分布式光伏发电累计装机容量为1032万kW，全年发电量达662亿kWh，占我国全年总发电量的1%。

随着光伏技术的进步，在政府的支持下，光伏建筑一体化(BIPV)[1-3]成为21世纪建筑及光伏技术市场的一大热点。BIPV是利用绿色能源产生电力，不会污染环境，开发利用过程中不会产生任何生态方面的副作用；一般安装在闲置的屋顶或外墙上，无需额外占用土地，对于土地昂贵的城市建筑尤其重要；此外，BIPV采用并网光伏系统，无需配备蓄电池，既节省投资，又不受蓄电池荷电状态的限制，可以充分利用光伏系统发出的电力[4]。基于BIPV以上优点，本文对云南师范大学能源与环境科学学院100 kWp光伏幕墙并网系统的日运行状态、晴天和阴天运行状态、月发电量和各日照时数关系及逆变器的工作性能展开了系统的分析。

1 100 kWp光伏幕墙并网系统介绍

云南师范大学能源与环境科学学院100 kWp光伏幕墙并网系统由576块170 W的双玻组件构成，总面积为1560 m2，幕墙与水平面的倾角为85°，面向正南方，如图1a所示。双玻组件采用驳接爪固定在钢架龙骨上，以保证固定强度和美观性，如图1b所示。

安装完成后，幕墙整体透光率为45%，系统的峰值电压为796.8 V，峰值电流为122.88 A，开路电压为950.4 V，短路电流为135.6 A。系统中逆变器采用了1台100 kW的并网逆变器，通过2台光伏阵列防雷汇流箱(型号：PVS-12M)输入24组串联组件，共24×24块组件。系统的组成除了双玻光伏组件、并网逆变器、光伏阵列防雷汇流箱外，还有光伏交流防雷配电柜、光伏交流防雷配电箱、系统连接电缆、光伏幕墙支架、环境检测仪、监控软件、防雷接地系统、桥架等，最终的电能输出通过1台200 kW配电柜接入AC400V并网点，供内部负载消耗使用。

图1 100 kWp光伏幕墙实景图

2 光伏幕墙并网系统日运行状态分析

2.1 日工作电压、工作电流随时间变化情况

一天中系统的工作电压和工作电流随时间的变化曲线如图2所示。由图2可知：系统开始并网发电的时间约为7:00，停止并网发电时间约为18:30，其余时间均为开机等待时间，每天并网发电时间约为11.5 h；系统7:00左右开始并网发电时的工作电压为570.4 V，在此之前电压小于450 V，而逆变器最大功率追踪范围为450～800 V，逆变器不能并网发电，系统处于开机等待状态；随着日照强度的增大，工作电压峰值和工作电流峰值随之加大，在7:33时达到最大峰值电压822.2 V，在11:00时达到最大峰值电流84.6 A；18:49时，随着太阳的下落，系统电压再次低于450 V，系统停止并网发电。此外由图2还可看出，工作电压开始上升的时间点比工作电流开始上升的时间点提前大约1 h，工作电压开始急剧下降的时间点比工作电流下降的时间点晚大约1 h。

图2 工作电压、工作电流随时间的变化情况图

2.2 系统日累计发电量随时间的变化情况

由图3a、图3b可知，一天中发电功率最大的时段是9:00～15:00，到18:00以后，发电总量达到饱和；一天中的发电主要集中在9:00～15:00，这段时间发电量占全天发电量的65%左右。

图3 系统日累计发电量随时间变化情况图

3 光伏幕墙系统晴天和阴天运行状态分析

3.1 工作电压、工作电流随时间变化情况对比分析

以2014年10月10日晴天和10月15日阴天为例。由图4可知，晴天和阴天系统的工作电压随时间的变化规律大致相同，阴天的峰值电压为791.5 V，出现在15:00左右，值略小于晴天的峰值电压；晴天的峰值电压为822.2 V，出现在7:33左右；在7:00～7:30和18:30～19:00两个时间段，系统晴天的工作电压要明显高于阴天的工作电压。而系统晴天和阴天的工作电流随时间的变化规律差异比较明显，阴天的峰值电流为75.1 A，出现在12:30左右；晴天的峰值电流为84.6 A，出现在11:00左右；阴天各时段的工作电流均小于晴天各时段的工作电流。

图4 晴天和阴天系统日工作电压、工作电流随时间变化图

晴天和阴天系统的工作电压相差不是很大，而工作电流相差较大，其原因在于光电流是由光生载流子的定向移动形成的，在受光面积相同的情况下，光电流密度越大，光电流越大，而光电流密度的最大值JL(max)=qNph(Eg)，其中，Nph(Eg)为每秒透射到太阳电池上能量大于电池材料禁带宽度Eg的总光子数，所以光流密度JL的大小只与入射光强有关，与光电压无关。在阴天相同时间段，入射光强度小于晴天的入射光强，所以系统阴天的工作电流要明显小于晴天。

3.2 晴天与阴天发电量对比分析

各时段的发电量分布情况如图5所示。由图5可知，阴天全天的总发电量为79.9 kWh，远小于晴天的总发电量246.1 kWh；在12:00之前，阴天各时段发电量占全天发电量的比例小于晴天，12:00之后，阴天各时段发电量占全天发电量的比例大于晴天。一天中发电量最多的时段，晴天和阴天都是12:00～14:00，该时段阴天发电量占全天发电量的55.98%。

图5 晴天和阴天各时段发电量及占全天发电总量比例图

3.3 晴天和阴天系统输入功率对比分析

晴天和阴天系统的输入功率情况如图6所示。系统阴天时的峰值功率为54 kW，大约出现在13:00左右，晴天系统的峰值发电功率约为60 kW，大约出现在10:00左右；晴天系统的功率在12:00之前和14:00之后都远大于阴天系统的输入功率，阴天系统发电主要集中在10:00～16:00，其他时间段功率极小，发电量也很少。

图6 晴天和阴天输入功率对比图

4 光伏幕墙系统月发电量与各月日照时数关系

以2014年10月为例，月发电量与月平均日照时数关系如图7所示。由图7可知，2014年10～12月发电量随日照时数增加而增加，12月发电量最大，为9748.3 kWh；而2015年2～3月有些异常，据查实，该阶段系统出现故障，处于维修状态。所以，在正常情况下，月发电量与日照时数成正比趋势，即日照时数越长，发电量也就越大。

图7 月发电量与平均日照时数关系图

5 逆变器工作性能分析

逆变器的逆变效率为：逆变效率η=逆变器的输出功率Pout/光伏阵列的输入功率Pin×100%。逆变器的效率与光伏阵列输入功率的关系如图8所示。

图8 光伏并网逆变器效率随光伏阵列输出功率变化图

由图8可知，当光伏阵列的输出功率达到3000 W时，逆变器效率达到80%左右；当光伏阵列的输出功率低于3000 W时，逆变器的逆变效率随光伏阵列输出功率的下降而明显下降；当光伏阵列的输出功率高于3000 W时，逆变器的逆变效率增加不明显，最高可达到96.14%，与逆变器供应商提供的效率说明最大效率97.1%基本相符。

逆变器输出功率和光伏阵列工作电压的关系如图9所示。由图9可知，8:33时，光伏阵列电压已达到最大值785.2 V，但11:00时逆变器的输出功率才达到峰值57600 W，由此可知，逆变器的输出功率主要取决于太阳辐照时间的长短。

图9 光伏并网逆变器输出功率与光伏阵列工作电压关系图

6 结论

通过对云南师范大学能源与环环境科学学院大楼100 kWp光伏幕墙并网系统的运行数据分析可知，该并网系统日工作电压、工作电流出现峰值的时间段大约为13:00～15:00之间，即在这个时段系统的输出功率最大，符合我们的理论计算和常理推断。并网逆变器效率高于80%，符合国家相关标准规定。本文对100 kWp光伏幕墙并网系统的日、月发电量进行的数据分析可为其他类似系统提供实例参考依据。

[1]杨洪兴,季杰. BIPV对建筑墙体得热影响的研究[J].太阳能学报,1999,20(3):270－273.

[2]郝国强,李红波,陈鸣波.光伏建筑一体化(BIPV)并网电站的应用与发展[J].上海节能,2006,(6):66－70.

[3]姜志勇.光伏建筑一体化(BIPV)的应用[J].建筑电气,2008,27(6):7－10.

[4]陈菊芳,沈辉,杨灼坚,等.中山大学光伏并网示范电站分析[J].电源技术,2010,34(3):292－294.